第6章光電系統(tǒng)設計b

1、第六章 光電系統(tǒng)設計光電系統(tǒng)是測控儀器的重要組成部分，它與電子系統(tǒng)、精密機械及計算機相結合，構成光、電、機、計算機相結合的現(xiàn)代儀器，它具有許多 重要的特點1精度高 光電式儀器是各種測量儀器中精度最高的一種，如激光干涉儀可達到(0.03+L/500)m的測長精度(其中L是測量長度，單位為mm)，光外差干涉測量是納米精度測量的主要手段。 2非接觸測量 光照到被測物體上可以認為是沒有測量力的，也沒有摩擦，同時也不會改變被測物體的性質，因此它可以實現(xiàn)動態(tài)測量，是各種測量方法中效率最高的一種。 3。測量范圍大 光是最便于遠距離傳播的介質，尤其適合于遠距離測距、遙控、遙測、光電跟蹤等。如用光電方法可以測出

2、地球與月球間的距離，分辨力達到1m。 4信息處理能力強光電子測量可以提供被測對象信息含量最多的信息；光電系統(tǒng)還具有電子系統(tǒng)的運算、控制、存儲極其方便的特點，尤其適于與計算機聯(lián)機，構成自動化、智能化的測控系統(tǒng)。 本章從光電系統(tǒng)總體設計角度出發(fā)對光電系統(tǒng)的精度、設計原則和設計方法進行介紹和討論，最后通過對激光干涉的設計分析，達到對光電系統(tǒng)設計有一個整體的理解。 第一節(jié) 測控儀器光電系統(tǒng)的組成和類型 一、光電系統(tǒng)的組成 光電系統(tǒng)是測控儀器的重要組成部分。測控儀器中的光電系統(tǒng)的組成框圖如圖61所示。光源是傳遞信息的媒介，是光電系統(tǒng)的源頭。光源發(fā)出的光經過光學系統(tǒng)后成為匯聚光束、發(fā)散光束、平行光束，或其

3、他形式的結構光束，作為載波作用于被測對象。光學變換可通過各種光學元器件，如透鏡、平面鏡、棱鏡、光柵、碼盤、波片、偏振器、調制器、狹縫、濾波器等來實現(xiàn)。經光學變換后的光載波中含有被測對象的信息，稱為光信息。光信息被光電檢測器接收，并轉換為易于處理的電信號，再經電路和邏輯變換等處理，最后顯示被測量，或用于探測。 由組成框圖可以看出，光電系統(tǒng)的設計主要是研究光信息的檢測、傳輸和變換中的核心技術的設計問題。圖6-l 光電系統(tǒng)的組成 二、光電系統(tǒng)的類型 光電系統(tǒng)的類型是很多的，為了突出同類系統(tǒng)的特點和共性，以便掌握其規(guī)律性的內容，常把光電系統(tǒng)分為主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)，直接檢測系統(tǒng)與相干

4、檢測系統(tǒng)等。 1.主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng) 主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)是指攜帶信息的光源(光煤介)是人為制造的還是自然輻射的。若光電系統(tǒng)的照明是人工光源，如白熾燈、發(fā)光管、半導體激光器、He-Ne激光器等，被測信息通過調制的方法加載到光載波上去，然后用光電接收系統(tǒng)進行檢測，這種光電系統(tǒng)稱為主動光電系統(tǒng)。如果光電系統(tǒng)的照明光源是自然光(如太陽光)或者用不是為光電系統(tǒng)特殊設計的光源來攜帶光信息，這種光電系統(tǒng)稱為被動光電系統(tǒng)。主動光電系統(tǒng)與被動光電系統(tǒng)相比增加了光源、光源光學系統(tǒng)，有時還需要光源調制器。它比被動系統(tǒng)要復雜一些，但信息的對比度好、信噪比高，一般用于精密測量中。被動系統(tǒng)的照明一般來自于目標或者環(huán)境的自

5、發(fā)輻射，如被測目標是星體、飛機、導彈、大地、車輛、人體等，用這些目標的自發(fā)輻射來攜帶信息。這時目標的輻射功率和背景輻射功率同時進入光學系統(tǒng)，然后都被匯聚到光電檢測器件上轉換為電信號，因而信噪比往往不高，信息常被淹沒，需要一些特殊技術來剔除噪聲，提高信噪比。 2模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng) 按照傳輸和接收的光信息是模擬量還是數(shù)字量，分為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)。模擬光信息與數(shù)字光信息一般是用調制的方法將被測信息加載到光載波上來獲得的。如果光載波是直流或者是連續(xù)的光通量，將被測信息加載到這類光載波上，然后進行傳輸或變換，則是模擬光電系統(tǒng)。如果光載波是脈沖量，而將被測信息加載到脈沖光載波的輻度、頻率、脈寬或相位之中

6、，則得到脈沖調幅、調頻或調寬波，然后對脈沖調制光波進行傳輸或變換稱為數(shù)字式光電系統(tǒng)。數(shù)字式光電系統(tǒng)具有比模擬式光電系統(tǒng)更好的傳輸效率和更好的抗干擾性，尤其適合于光通信。 3直接檢測系統(tǒng)與相干檢測系統(tǒng) 按照光電系統(tǒng)中光電檢測是直接檢測光功率還是檢測光的振幅、頻率和相位則分為直接檢測系統(tǒng)和相干檢測系統(tǒng)。不論是用相干光源還是非相干光源來攜帶光信息，而檢測器件只直接檢測光強度，這種光電系統(tǒng)稱為直接檢測系統(tǒng)。如果采用相干光源利用光波的振幅、頻率、相位來攜帶信息，光電檢測不是直接檢測光強而是檢測干涉條紋的振幅、頻率或相位則稱為相干檢測系統(tǒng)。直接檢測系統(tǒng)簡單、應用范圍廣，而相干檢測具有更高的檢測能力和更高的

7、信噪比，因而系統(tǒng)精度更高、穩(wěn)定性也更好。按照光電系統(tǒng)的功能還分為光電信息檢測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、光電搜索系統(tǒng)、光電通信系統(tǒng)等。 補充內容： 第二章 光的基礎知識 第一節(jié) 光 的 本 質 一、光的兩重性 幾個世紀以來，關于光的本質一直是物理學中爭論的一個主題。1860年麥克斯韋電磁理論建立后才認識到光是一種電磁波，利用麥克斯韋理論能很好地說明光在傳播過程中的反射、折射，干涉、衍射、偏振以及光在各向異性介質中的傳播等現(xiàn)象。但在光與物質的互相作用方面，如物質對光的吸收、色散和散射等，上述理論仍不能給出令人滿意的解釋。1900年普朗克在研究黑體輻射的能量按波長分布這一問題時認為，諧振子輻射是不連續(xù)的，

8、提出了輻射的量子論。1905年愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時提出了光量子的概念，從而使人們對光的本質有了進一步的認識。認識到光具有波粒兩重性，設想光由分離的能團光量子(簡稱光子)組成。在光電發(fā)射效應中，實驗發(fā)現(xiàn)光激發(fā)電子的初始動能只與入射光的波長(或頻率)有關，而與入射光的強度無關，單位時間內激發(fā)的光電子數(shù)與入射光的強度成正比。這些現(xiàn)象難以用波動理論給予解釋，而用粒子理論能得到圓滿的解釋。 二、電磁波譜 麥克斯韋理論指出，光是一種電磁波，但它在整個電磁波譜中，只占有很狹的范圍。電磁波也稱電磁輻射，其重要的特征參數(shù)是波長(或頻率)，整個電磁波譜按波長排列。波長從0.011000m，或頻率從3

9、15;10123×107Hz范圍屬于光學波段，它包括紫外輻射，可見光和紅外輻射三部分(見圖21)。通常，波長短于038m的是紫外輻射，波長從0.380.78m的是可見光，波長從0781000m的是紅外輻射。人眼能感覺出光有不同的顏色，實質上是波長不同的光在人眼中所引起的不同感覺。圖2-2表示一個所謂標準觀察者的眼睛對各種波長輻射的相對靈敏度。從圖中看，人眼對波長為055m的黃綠光反映最敏感。 三、光子 按照光的粒子性，光由具有一定能量的光子組成。光子的能量與光的頻率成正比，即 式中， h為普朗克常數(shù)每個光予以速度c傳播，可以把光看作一個波群，并想象它為一個頻率為f的振蕩，相鄰兩峰間的

10、振蕩距離等于波長又，于是波長 此時式(2-1)可寫成 (2-2)由式(2-2)可知，光子的能量與波長有關，如綠光光子比紅光光子具有更多的能量。根據(jù)這個道理可知，紫外輻射的能量比任何一種可見光的能量都大，而紅外輻射的能量比任何一種可見光的能量都小。 光在不同介質中的傳播速度不等，但總是低于光在真空中的傳播速度。光在真空中的傳播速度與在介質中的傳播速度之比n稱為該介質的折射率，即 (23)式中， n為物質的特征參數(shù)。 光不論在什么介質中傳播，其頻率總是不變。因此，在不同介質中，光的波長不等。設分別表示頻率為的光波在真空中和在折射率為n的介質中的波長，則可得 (24) 但是，除非特別注明，凡提到光的

11、波長，通常均指真空中的波長。 在很多情況下，由于光子數(shù)巨大，故致使光的波動性占統(tǒng)治地位。例如1mW的氦氖激光器每秒約發(fā)射1015光子，使發(fā)射光束的大部分特征可用平面波理論解釋。二、輻射度系統(tǒng)和光度系統(tǒng)的參量 為了定量分析光與物質的相互作用，需要計量光能的大小。對于整個電磁波譜能量的計量，在物理學方面已經有一套計量單位，如焦耳、瓦等，是輻射度系統(tǒng)的參量單位。然而人眼的視覺細胞對波長不同的輻射有不同的響應，用輻射度單位描述的輻射能并不能反映人的亮暗感覺，為此，對可見光能量的計量除了用輻射度系統(tǒng)的參量外，還必須另有一套從生理上評價正常人眼對輻射感覺程度的參量，這就是光度系統(tǒng)參量。因此，對于同樣一種輻

12、射，既有一套計量其客觀物理實質的輻射度系統(tǒng)參量，又有一套計量對人眼生理作用的光度系統(tǒng)參量。這兩套參量的名稱和單位盡管回然不同，但它們的定義應當是完全平行的，或者說是完全一一對應的，如表2-2所示為了區(qū)別輻射度參量和光度參量，在參量符號的右下角標以腳標“e”表明輻射度系統(tǒng)參量，標以“v”的則表明光度系統(tǒng)參量。在光度系統(tǒng)參量中，與輻射功率相對應的參量叫光通量，它是按照正常人眼的視覺特性來評價的輻射功率。它的單位是流明(1m)，是一個最常用的單位。但由于歷史原因，被選作基本參量的不是光通量，而是發(fā)光強度?，F(xiàn)在，發(fā)光強度的單位坎德拉(cd)不僅是光度系統(tǒng)參量的基本單位，而且是國際單位制(sI)的7個基

13、本單位之一。表22 輻射度系統(tǒng)參量和光度系統(tǒng)參量注，-立體角， A-面積， t-時間， -光源表面面積元與給定方向垂直面的夾角 但是，輻射度系統(tǒng)的參量對整個電磁波譜都有意義，可以計量可見光譜的能量。而光度系統(tǒng)的參量不能用來計量可見光譜外的電磁波譜的輻射能，兩者在概念上是不一樣的，應用場合也往往不一樣。例如，在一些產品手冊上可以發(fā)現(xiàn)，各種激光器的光輸出以輻射功率單位(W)表示，而發(fā)光二極管通常用發(fā)光強度單位(cd)表示。激光器和發(fā)光二極管之所以采用兩種不同的單位制，原因是激光器用于通信或其它領域，它客觀真實的輸出功率很重要而發(fā)光二極管常用于面板指示燈或數(shù)字顯示器，即利用它的視覺效能，并且不同的發(fā)

14、光二極管，發(fā)射光的角錐范圍不同，小的角錐僅幾度，大的可達90°或更大。因此，對于發(fā)光功率相同的發(fā)光二極管，由于發(fā)射光束的角錐范圍不同，其發(fā)光強度是不同的，發(fā)射光束窄的發(fā)光二極管比發(fā)射光束寬的發(fā)光強度高。 在表22列出的參量中，有些是與光源有關的參量，有些則與光接收器有關。注意，不要把輻照度Ee與輻射出射度Me混淆起來，雖然兩者單位相同，但意義不相同。后者是描述從單位面積發(fā)射出來的輻射功率，前者是描述單位面積所接受的輻射功率，因此兩者的單位都是通常光源發(fā)射的輻射能含有各種波長，按波長分布在輻射光譜范圍內。可用通用符號分別表示輻射度系統(tǒng)參量和光度系統(tǒng)參量是波長的函數(shù)，即 本節(jié)先簡單介紹光

15、輻射的基礎知識 一、光輻射基礎 圖像傳感器的使用離不開光輻射技術，只有在特定的光源與光照下才能討論其特性與使用。光輻射的度量方法有兩種，一種是物理(客觀)的計量方法，稱為輻射度參數(shù)，它適用于整個電磁輻射譜區(qū)，是對輻射量進行物理意義的計量；另一種是生理(主觀)的計量方法，稱為光度參數(shù)，光度參數(shù)只適用于可見光譜區(qū)，超過這個譜區(qū)，光度參數(shù)沒有意義。下面簡單介紹電磁波頻譜及光的度量。 (一)光和光譜 光是能引起視覺的輻射能，它以電磁波的形式在空間傳播。人眼所能感覺到的光僅是電磁波中很小的一部分，稱為可見光?？梢姽獾牟ㄩL約在370760nm范圍之間。不同波長的光給人的顏色感覺也不同。波長從760nm向3

16、80nm減小時，光的顏色從紫色開始，按紅、橙、黃、綠、青、藍的順序逐漸變化。兩種顏色之間沒有明顯的分界，而是一種顏色逐漸減少，另一種顏色逐漸增多，逐漸過渡，全部可見光波混合在一起就形成白色光。 可見光以外的電磁輻射稱為不可見光。波長小于360nm的電磁波中，最為一般人了解的是紫外線，其他還有X射線、射線、宇宙射線；大于760nm的電磁輻射則有紅外線及微波等。把光線中不同強度的單色光按波長長短依次排列，稱為光譜，如圖12-51所示。太陽所輻射的電磁波中，波長大于1400nm的，被低空大氣層中的水蒸氣和二氧化碳所吸收；波長小于290nm的被高空大氣層中的臭氧所吸收。能到達地球表面的電磁波的波長基本

17、與可見光的波長相吻合，這說明眼睛對光的視覺反應是動物和人類在進化過程中，對地球大氣層透光效果相適應的結果。 (二)光的度量 1。光通量 能夠發(fā)光的物體稱為光源，從光源發(fā)出的光具有一定的能量，這種能量稱為光能。光源照明的效果最終須由人眼來評定，因此僅用能量參數(shù)來描述各類光源及圖像傳感器的光學特性是不夠的，還必須引入基于人眼視覺的光度參數(shù)來衡量。 光源在單位時間內向周圍空間輻射并引起視覺的能量，稱為光通量，用符號表示，單位為流明(lm)。一個100W白熾燈約可產生1700 lm的光通量，而一支40W白色日光燈管則可產生約3000lm的光通量。 光通量不但與光源輻射能量的強弱有關，而且與輻射的波長有

18、關。人眼對不同波長的光靈敏度是不一樣的。比如在白天或光線較強的地方，人對黃光、綠光最靈敏。波長向紅或藍偏離越多，靈敏度越低，感覺到的光通量就越小。 實驗證明，當波長為555nm(相當于黃綠光)的輻射功率為lW時，人眼感覺到的光通為683lm，可見1lm就相當于波長為555nm的單色輻射功率為1683W時的光通量。 2。發(fā)光強度 光源在空間某一特定方向上的單位立體角內輻射的光通量(光通量的密度)，如圖12-52所示，稱為光源在該方向上的發(fā)光強度(簡稱光強)，用符號I表示，單位為坎德拉(cd)，其計算公式為： (125)式中在立體角內所輻射的總的光通量(lm)；球面所對應的立體角(sr)。最早在英

19、國定義的發(fā)光強度單位為“燭光”，1979年第16屆國際計量大會將坎德拉定義為：能發(fā)射(相當于波長為555nm)的單色輻射源，若在給定方向上的輻射強度為時，其發(fā)光強度為1cd。 發(fā)光強度的單位是國際單位制中七個基本單位之一，540×1012Hz的單色光是對人眼最敏感的黃綠色光。按此規(guī)定，40W和.60W的白熾燈在標準條件下的發(fā)光強度約為28cd和50cd，并不與瓦數(shù)成正比。 當用儀表測得理想點光源的光強為1cd時，在整個球空間，其發(fā)出的總光通量為=4I=126lm，所以只要測得點光源的光強，就可以求得其總光通量的理論值。 3照度 照度是用來表示被照面(點)上光的強弱。受照物體表面每單位

20、面積(1m2)上接收到的光通量稱為照度，符號為E，單位為勒克司(lx)。被光均勻并垂直照射平面的照度E=A。上式中，為物體表面單位面積上接收到的總光通量，A為被照面積，所以1lx等效千1lm/m2。 用點光源照明時，與光源垂直的物體表面上的照度與光源的光強I成正比，與距離r的平方成反比，物體表面上的照度又與光線入射角的余弦cos成正比，可用以下公式來表示 為了使讀者對光照度值有感性認識，現(xiàn)舉幾個實際情況下的照度值供參考。20cm遠處的燭光約為1015lx；在40W熒光燈正下方13米處的照度約為90lx；距40W白熾燈下1米處的照度約為30lx，加一塑料燈罩后將增加到300lx；晴天中午室外的照

21、度可達10000800000lx；晴天中午室內窗口桌面的照度約為20004000lx；陰天中午室外的照度約為6000lx；黃昏室內為10lx；滿月時地面上的照度僅為0.2lx；一般辦公室要求的照度100200lx；一般學習的照度應不少于75lx，教育部門規(guī)定，所有教室課桌面的照度必須大于150lx。由于瞳孔的存在，人眼睛對光線強弱的感覺類似于對數(shù)關系，所以在太陽光及昏暗的燈光下看書時的照度將相差幾百倍。 4亮度 在房間內同一位置上，并排放著一個黑色和一個白色的物體，雖然它們的照度一樣，但在人眼看起來，白色物體要亮得多。這說明被照物體表面的照度并不能直接表達人眼對它的視覺感覺。這是因為人眼的視覺

22、感覺是由被照物體的反射光在眼睛視網(wǎng)膜上形成的照度而產生的。視網(wǎng)膜上由反射光形成的照度愈高，人眼就感到愈亮。白色物體的反光要比黑色物體強得多，所以人就感到白色物體比黑色物體亮得多。也可以這樣理解：若把被視物體當作一個發(fā)光體，則視網(wǎng)膜上的照度是被視物體在沿視線方向上的發(fā)光強度造成的。 發(fā)光體在視線方向單位投影面(1m2)上的發(fā)光強度稱為該物體表面的亮度，也稱為輝度，用符號L來表示，單位為坎德拉每平方米(Cdm2)。 5。小結 以上介紹的是常用的光度符號和單位，它們從不同角度表達了物體的光學特性。光通量說明發(fā)光體發(fā)出的光線數(shù)量；發(fā)光強度是發(fā)光體在某個方向上發(fā)出的光通量密度，它表明了光通量在空間的分布

23、情況；光照度表示被照表面接受的光通量密度，用來鑒定被照面的照明情況；光亮度則表示反光體單位表面積上的發(fā)光強度，它表明一個物體的明亮程度。它們的名稱、符號、單位及說明見表12-1。 表12-1 常用光度學的名稱、符號、單位及說明 第二節(jié) 光電系統(tǒng)的特性 光電系統(tǒng)由實現(xiàn)光學變換的光學或光電子學系統(tǒng)與實現(xiàn)光電變換的光電探測器組成。光電系統(tǒng)的被測量是光信息，而輸出量是經過光電變換的電信息，不同原理的光電系統(tǒng)其性能指標是不同的，本節(jié)只歸納其共性特性。 一、光電特性 光電系統(tǒng)的光電特性即該系統(tǒng)輸入、輸出特性又稱為靜特性，其輸入量一般是光通量或光照度E，輸出量一般是電壓或電流。若輸入量是光通量，輸出量是電壓

24、，則其光電特性即為V()曲線。若光電系統(tǒng)的光學變換是線性的，則系統(tǒng)的光電特性主要取決于光電探測器的光電特性。 任何一個光電測量系統(tǒng)希望其靜特性線性范圍大，以獲得較大的測量范圍，也希望其特性曲線的斜率大，以獲得較高的靈敏度。 二、光譜特性及光譜匹配 光電系統(tǒng)中光載波信號的能量來源是光源或輻射源，輻射能量由光源經測試目標、光學系統(tǒng)和傳輸介質被光電檢測器接收。為了提高光能的利用效率，要求檢測器件的光譜靈敏度分布和輻射源的輻射度分布及各傳輸環(huán)節(jié)的透射率分布相覆蓋。在含有多光譜的復合光通量作用下，傳輸介質、光學系統(tǒng)的透射率光譜分布分別是光電檢測器的光電靈敏度系數(shù)為時，那么檢測器件的輸出可表示為 (6-1

25、)式(6-1)表示出了光電檢測器件的輸出與光譜波長之間的關系。式中分別為輻射下限波長和上限波長。 由于光電系統(tǒng)中光源的輻射波長有一定的范圍，并存在有峰值波長，而光電子檢測器件對波長有選擇性，即存在一個最靈敏的波長，因此為充分利用光能，要求光電器件與輻射源在光譜特性上相匹配。 三、光電靈敏度特性(光譜響應率) 光譜響應率又稱光電靈敏度，它是光電系統(tǒng)的光電檢測器件的輸出(電壓U或電流 I)與入射光通量之比，即 (6-2)式中，分別稱為電壓靈敏度和電流靈敏度，其單位分別為若入射光參量用照度表示，則光照靈敏度的單位分別為若入射光的波長為單色光，這時輸出電壓與入射單色輻射通且里之比稱為光譜靈敏度或光譜響

26、應率 (63)隨波長的變化關系，稱為光譜響應函數(shù)。四、頻率響應特性 當入射光照是以一定頻率變動的交換光信息時，光照頻率的變化將會引起光電器件響應率的變化。一般地，響應率隨光照頻率升高而降低，如圖6-2所示。它如同一個低通濾波器的頻率特性，即圖6-2頻率響應特性 (6-4)式中，是頻率為零(直流)或者頻率很低時的響應率；f是光信息的頻率；為時間常數(shù)。當頻率增加時響應率要降低，當?shù)臅r所對應的頻率稱為上限載止頻率，這時有 五、光電系統(tǒng)的探測率D和比探測率D* 光電系統(tǒng)的探測率表征光電系統(tǒng)的探測能力，D越大，表征探測能力越強。D可表示為 (6-5)式中，為用電壓表示的光電靈敏度；為噪聲電壓。式(6-5

27、)表明，越高而噪聲越小，則探測能力越強。光電檢測系統(tǒng)的探測率除了與有關外還與光電檢測器件光敏面面積A和光電檢測系統(tǒng)的帶寬為在同一條件下對光電系統(tǒng)性能加以比較，引入比探測率D*的概念。 (6-6) 在光電檢測系統(tǒng)設計中，還經常用到噪聲等效功率的概念，它定義為光電器件輸出信號電壓有效值等于噪聲方均根電壓值時的入射光功率，用公式表示為 (6-7)即噪聲等效功率是探測率的倒數(shù)，亦即NEP=1D。同樣，D*的倒數(shù)稱為歸一化噪聲等效功率，用NEP*表示。 第三節(jié) 光電系統(tǒng)的設計原則 在光電系統(tǒng)設計時，應針對所設計的光電系統(tǒng)的特點，遵守一些重要的設計原則。 一、匹配原則 光電系統(tǒng)的核心是光學變換與光電變換，

28、因而光電系統(tǒng)的光學部分與電子部分的匹配是十分重要的。這些匹配包括光譜匹配、功率匹配和阻抗匹配。在光電系統(tǒng)中，光電器件是光學系統(tǒng)的輸出口，它同時又是電子部分的輸人口，因此匹配的核心是如何正常選擇光電檢測器件。 1光譜匹配 光譜匹配是指光學系統(tǒng)的光譜特性與光電檢測器件的光譜靈敏度特性相匹配。正如前節(jié)光電系統(tǒng)光譜特性內容所述，要求光電檢測器件對光譜的靈敏響應范圍與光學系統(tǒng)光譜透射率相覆蓋。在光電系統(tǒng)設計中，光譜匹配的核心是光源的光譜峰值波長應與光電檢測器件對光譜的靈敏波長相一致。通常是先根據(jù)光電系統(tǒng)的功能要求確定光源，然后再根據(jù)光源的峰值波長選用與之光譜匹配的光電檢測器件。 2功率匹配 光電系統(tǒng)的能

29、源是光功率，功率匹配是指盡量最佳的使用光功率，它包含如下3個方面的內容： 1)光電器件與入射輻射能量在空間上對準，即入射光應與光電檢測器件光敏面相垂直，同時又盡量使入射光照射到全部光敏面上，以充分利用光能，實現(xiàn)入射光與光電檢測器件的空間匹配； 2)入射光輻射應與光電檢測器件的光電特性相匹配，即要求人射光通量的變化中心處于光電檢測器件的線性測量范圍的中心處，以確保進行良好的線性檢測； 3)滿足光譜匹配。 3阻抗匹配 由于光電檢測器件是光電檢測電路的信號源，因此兩者之間應具有良好的阻抗匹配，以獲得最佳的電信號輸出，在進行光電檢測電路設計時應根據(jù)光電檢測器件的伏安特性選擇最佳工作點，還應根據(jù)光電檢測

30、器件和光信息的頻率特性進行光電檢測電路的動態(tài)設計，以保證光電系統(tǒng)達到最佳的信號檢測能力。 二、干擾光最小原則 光電系統(tǒng)中光干擾是造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的重要因素。光電系統(tǒng)中的干擾光主要是指雜散光、背景光和“回授光”。干擾光最小原則就是指干擾光對光電系統(tǒng)影響最小，以使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。 光電系統(tǒng)中的雜散光是指由于光輻射經過各種光學元件(如平面鏡、光楔、分光鏡、透鏡、平行平板、分劃板、光欄、鏡筒、障礙物等)產生的散射光、衍射光、透射光、雙折射光等非期望的雜亂光線對信號光產生雜散干擾，減小雜光干擾可采用光學濾波、光 三、共光路原則 在光電系統(tǒng)中為了實現(xiàn)精密測量和減小共模干擾，經常采用差動測量系

31、統(tǒng)，以實現(xiàn)被測量與標準量的比較，如圖6-4所示，圖6-4a是光通量差動測量的例子，圖6-4b是用光干涉法進行表面形貌測量的例子。圖6-4 光電差動比較測量 a)光通量差動比較測量原理圖 b)干涉儀表面粗糙度測量原理圖它們的共同特點都是將光分成兩路，一路是標準量通路而另一路是被測量測量通路，所不同的是圖6-4a是光通量比較，而圖6-4b是用光干涉法進行光的光程差比較。它們都是用差動比較法減小了光源波動等共模干擾的影響，但是由于測量路與標準路處于兩種不同的環(huán)境中，溫度變化和機械變形及振動的影響使兩路產生不同的變化，即由于兩路環(huán)境條件不同而帶來誤差。如果使測量路與標準路同處同一環(huán)境中，則可減小該項誤

32、差。如圖6-5所示是斐索平面干涉儀原理圖。激光束1被聚光圖6.5 斐索干涉儀原理圖1-激光束2-反射鏡3-聚光鏡4、6-光欄5-分光鏡7-準直物鏡鏡3匯聚于小孔光欄4處，光欄4位于準直物鏡7的焦面處，光束透過分光鏡5向下通過準直物鏡7以平行光束出射，并垂直入射到參考鏡M1上。M1為半反半透鏡，一部分光線被M1反射作為標準(參考)光束，另一部分光透過參考鏡M、入射到被測表面M2上由被測表面反射形成測量光束，兩束光在光欄6處會合而產生干涉。在光欄6處放置CCD攝像機便可記錄下與被測表面相對應的干涉圖。由上述原理可以看出該系統(tǒng)的測量光束與參考光束基本上處于同一環(huán)境中，溫度變化和外界振動的影響對兩束光

33、基本上相同，因而有利于提高測量精度。由原理圖還可看出該系統(tǒng)的測量光束與參考光束在參考鏡M1到被測物體之間是不共路的。因此在設計時應盡量減小之間距離。 還應強調的是，光電系統(tǒng)設計是測控儀器設計的一部分，它還應遵守儀器設計的阿貝原則、差動比較原則、精度原則、基面統(tǒng)一原則以及補償原理，平均讀數(shù)原理等基本原則和理論。 第四節(jié) 光電測量系統(tǒng)中的光源及照明系統(tǒng) 光電測量中，光是信息的載體，光源及照明系統(tǒng)的質量對光電測量往往起著關鍵的作用。根據(jù)不同的測量需要，有的要求平行光照明、有的需要點光源照明、有的需要平面光照明、有的需要透射光照明、有的需要反射光照明、，這些都由光源的照明系統(tǒng)來提供。本節(jié)將對光源的特性

34、、光源的種類、照明光學系統(tǒng)及光源選用等問題加以介紹。 一、光源的基本參數(shù) 1發(fā)光效率 在給定的波長范圍內，某一光源所發(fā)出的光通量V與該光通量所需要的功率P之比，稱為該光源的發(fā)光效率，表示為 (6-8)式中，為該光電測量系統(tǒng)的光譜范圍。應用中宜采用發(fā)光效率高的光源以節(jié)省能源。2光譜功率譜分布 光源輸出的功率與光譜有關，即與光的波長有關，稱為光譜的功率分布。常見的有4種典型的分布，如圖66所示。圖66 典型光源功率譜分布 a)線狀光譜 b)帶狀光譜 c)連續(xù)光譜 d)復合光譜 圖a為線狀光譜，如低壓汞燈光譜；圖b為帶狀光譜，如高壓汞燈光譜；圖c為連續(xù)光譜，如白熾燈、鹵素燈光譜；圖d為復合光譜，它由

35、連續(xù)光譜與線狀、帶狀光譜組合而成，如熒光燈光譜。 在選擇光源的時候，為了最大限度地利用光能，應選擇光譜功率分布的峰值波長與光電器件的靈敏波長相一致；對于目視測量，一般可以選用可見光譜輻射比較豐富的光源；對于目視瞄準，為了減輕人眼的疲勞，宜選用綠光光源；對于彩色攝像則應該采用白熾燈、鹵素燈作光源。同樣對于紫外和紅外測量，也宜選用相應的紫外燈(氙燈、紫外汞燈)和紅外燈。 3。空間光強分布特征 由于光源發(fā)光的各向異性，許多光源的發(fā)光強度在各個方向是不同的。若在光源輻射光的空間某一截面上，將發(fā)光強度相同的點連線，就得到該光源在該截面的發(fā)光強度曲線，稱為配光曲線，如圖67所示為HG500型發(fā)光二極管的配

36、光曲線。為提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。為了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦點應位于光源的發(fā)光中心。 4。光源的溫度和顏色 任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，就向外界發(fā)出輻射，稱為溫度輻射。黑體是一種完全的溫度輻射體，其輻射本領 式中，為輻射本領，它是輻射體表面在單位面積(A)表面單位波長間隔內所輻射的通量；為吸收率，是在波長入到入+d間隔內被物體吸收的通量與入射通量之比，即時的物體稱為絕對黑體。 黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對于一般的光源，它的某些特征常用黑體輻射特征近似地表示，其溫度常用色溫或相關色溫表示。色溫是輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度

37、下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。由于一種顏色可以由多種光譜分布產生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。相關色溫是指光源的色坐標點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關色溫。 色溫表示光源光譜質量最通用的指標。色溫是按絕對黑體來定義的，光源的輻射在可見區(qū)和絕對黑體的輻射完全相同時，此時黑體的溫度就稱此光源的色溫。低色溫光源的特征是能量分布中，紅輻射相對說要多些，通常稱為“暖光”；色溫提高后，能量分布中，藍輻射的比例增加，通常稱為“冷光”。一些常用光源的色溫為：標準燭光為1930K（開爾文溫度單位）；鎢絲燈為2760-29

38、00K；熒光燈為3000K；閃光燈為3800K；中午陽光為5400K；電子閃光燈為6000K；藍天為12000-18000K。色溫在討論彩色攝影用光問題時，攝影家經常提到“色溫”的概念。色溫究競是指什么? 我們知道，通常人眼所見到的光線，是由7種色光的光譜所組成。但其中有些光線偏藍，有些則偏紅，色溫就是專門用來量度和計算光線的顏色成分的方法，是19世紀末由英國物理學家洛德·開爾文所創(chuàng)立的，他制定出了一整套色溫計算法，而其具體確定的標準是基于以一黑體輻射器所發(fā)出來的波長。 開爾文認為，假定某一純黑物體，能夠將落在其上的所有熱量吸收，而沒有損失，同時又能夠將熱量生成的能量全部以“光”的形

39、式釋放出來的話，它便會因受到熱力的高低而變成不同的顏色。例如，當黑體受到的熱力相當于500550攝氏度時，就會變成暗紅色，達到1050一1150攝氏度時，就變成黃色因而，光源的顏色成分是與該黑體所受的熱力溫度相對應的。只不過色溫是用開爾文(。K)色溫單位來表示，而不是用攝氏溫度單位。打鐵過程中，黑色的鐵在爐溫中逐漸變成紅色，這便是黑體理論的最好例子。當黑體受到的熱力使它能夠放出光譜中的全部可見光波時，它就變成白色，通常我們所用燈泡內的鎢絲就相當于這個黑體。色溫計算法就是根據(jù)以上原理，用。K來表示受熱鎢絲所放射出光線的色溫。根據(jù)這一原理，任何光線的色溫是相當于上述黑體散發(fā)出同樣顏色時所受到的“溫

40、度”。顏色實際上是一種心理物理上的作用，所有顏色印象的產生，是由于時斷時續(xù)的光譜在眼睛上的反應，所以色溫只是用來表示顏色的視覺印象。 光源的顏色與發(fā)光波長有關，復色光源如太陽光、白熾燈、鹵素燈、鏑燈等發(fā)光一般為白色，其顯色性較好，適合于辨色要求較高的場合，如彩色攝像、彩色印刷等。單色光源，如HeNe激光為紅色，氪燈與鈉燈發(fā)光為黃色，氘光為紫色。光的顏色對人眼的工作效率有影響，綠色光比較柔和而紅色光則使人容易疲勞。用顏色來進行測量也是一門專門的技術。 在光電測量中為了減少光源溫度對測量的影響，應采用冷光源或者設法減少熱輻射的影響。 二、光電測量中的常用光源 物體溫度大于絕對零度時就會向外輻射能量

41、，輻射以光子形式進行，我們就會看到光。 1太陽光 太陽向地球輻射熱我們稱之為陽光。陽光是復色光，太陽光源是很好的平行光源。太陽光的照度值在不同光譜區(qū)所占百分比是不同的，紫外區(qū)約占6.46；可見光區(qū)占46.25；紅外光區(qū)占47.29。 2白熾燈 白熾燈靠燈泡中的鎢絲被加熱而發(fā)光，它發(fā)出連續(xù)光譜。發(fā)光特性穩(wěn)定、簡單、可靠、壽命比較長，得到廣泛的應用。 真空鎢絲燈是將玻璃燈泡抽成真空，鎢絲被加熱到23002800K時發(fā)出復色光，發(fā)光效率約為10 lmW。 若燈泡內充氬、氮等惰性氣體稱為充氣燈泡，當燈絲蒸發(fā)出來的鎢原子與惰性氣體原子相碰撞時，部分鎢原子會返回燈絲表面而延長燈的壽命，工作溫度提高到270

42、03000K，發(fā)光效率約為17 lmW。 若燈泡內充有鹵族元素(氯化碘、溴化硼等)時，稱為鹵素燈。鎢絲被加熱后，蒸發(fā)出來的鎢原子在玻璃殼附近與鹵素化合成鹵鎢化合物，如W12，WBr等，然后鹵鎢化合物又擴散到溫度較高的燈絲周圍且又被分解成鹵素和鎢，而鎢原子又沉積到燈絲上，彌補鎢原子的蒸發(fā)，以此循環(huán)而延長燈的壽命，鹵鎢燈的工作溫度達30003200K，發(fā)光效率約為30 lmW。 白熾燈的燈壓決定了燈絲的長度，供電電流決定了燈絲的直徑，100W的鎢燈發(fā)出的光通量大約200 lm。 白熾燈的供電電壓對燈的參數(shù)(電流、功率、壽命和光通量)有很大的影響，其關系如下所示： (69)式中，分別為燈泡額定電壓、

43、電流、發(fā)光效率、光通量和壽命；U、分別為使用值。 對于充氣燈泡n=0.0714，對于真空燈泡n=0.0769。例如額定電壓為220V的燈泡降壓到180V使用，其發(fā)光的光通量降低到62，但其壽命延長13.6倍。降壓使用對光電測量用的白熾燈光源十分重要，因為燈泡壽命的延長將使系統(tǒng)的調整次數(shù)大為減少，也提高了系統(tǒng)的可靠性。如光柵莫爾條紋法測量，常用6V、5W的白熾燈照明，若降壓至4.5V使用，燈的壽命延長20倍左右。 白熾燈泡的燈絲形狀對發(fā)光強度的方向性有影響，普通照明常用W形燈絲，使360°發(fā)光；而光柵的莫爾條紋測量則用直絲形狀儀器燈泡，且燈絲長度方向應與光柵刻線方向一致。 3氣體放電光

44、源 利用氣體放電原理來發(fā)光的光源稱為氣體放電光源，如將氫、氦、氘、氪或者金屬蒸氣(汞、鈉、硫等)充人燈中，在電場作用下激勵出電子和離子。當電子向陽極，離子向陰極運動時，由于其已經從電場中獲得能量，當它們再與氣體原子或分子碰撞時激勵出新的原子和離子，如此碰撞不斷進行；使一些原子躍遷到高能級，由于能級的不穩(wěn)定性，處于高能級的原子就會發(fā)出可見輻射(發(fā)光)而回到低能級，如此不斷地進行，就實現(xiàn)了氣體持續(xù)放電、發(fā)光。 氣體放電電源的特點是： 1)發(fā)光效率高，比白熾燈高210倍，可節(jié)省能源。 2)結構緊湊，耐振、耐沖擊。 3)壽命長，大約是白熾燈的210倍，可節(jié)省能源。 4)光色范圍大，如普通高壓汞燈發(fā)光波

45、長大約為400500nm，低壓汞燈則為紫外燈，鈉燈呈黃色(589nm)，氙燈近日光色，而水銀熒光燈為復色。由于以上特點氣體放電光源經常被用于工程照咀和光電測量之中。 4半導體發(fā)光器件 在電場的作用下使半導體的電子與空穴復合而發(fā)光的器件稱為半導體發(fā)光器件，又稱為注入式場致發(fā)光光源，通常稱為LED。 圖6-8a是半導體發(fā)光二極管原理圖，圖b是其外觀圖，圖c則是其器件符號。圖68 半導體發(fā)光二極管 a)原理圖 b)外觀圖 c)器件符號常用發(fā)光二極管材料及性能如表6-1所示。 表6-1 發(fā)光二極管材料及性能 半導體發(fā)光二極管既是半導體器件也是發(fā)光器件，因此其工作參數(shù)有電學參數(shù)和光學參數(shù)，如正向電流、正

46、向電壓、功耗、響應時間、反向電壓、反向電流等電學參數(shù)；輻射波長、光譜特性、發(fā)光亮度、光強分布等光學參數(shù)。這些參數(shù)可從光電器件手冊中查到。發(fā)光二極管的壽命很長，在電流密度情況下，可以達到以上。電流密度大時，發(fā)光亮度高，但壽命很快縮短。在正常情況下，LED的壽命大約是白熾燈的30倍，間歇使用的LED壽命可達30年。發(fā)光二極管動態(tài)響應較好，可工作于10100MHz動態(tài)場合。 LED在光電測量中除了做光源外，還可用作指示燈、電平指示、安全閃光、交替閃光、電源極性指示、數(shù)碼顯示等。高亮度的LED廣泛地使用，如將它用于汽車儀表顯示燈、汽車尾燈、交通信號燈等，將大量節(jié)約能源。 5激光光源激光又稱為受激發(fā)射光

47、，它的單色性好，相干能力強，方向性好、亮度高在光電測量中常用作相干光源。能激發(fā)出激光并能實現(xiàn)激光的持續(xù)發(fā)射的器件稱為激光器。激光器激光器（laser）能發(fā)射激光的裝置。1954年制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應用到光頻范圍，并指出了產生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。激光器1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。按工作介質分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類。近來還發(fā)

48、展了自由電子激光器，其工作介質是在周期性磁場中運動的高速電子束，激光波長可覆蓋從微波到X射線的廣闊波段。按工作方式分，有連續(xù)式、脈沖式、調Q和超短脈沖式等幾類。大功率激光器通常都是脈沖式輸出。各種不同種類的激光器所發(fā)射的激光波長已達數(shù)千種，最長的波長為微波波段的0.7毫米，最短波長為遠紫外區(qū)的210埃，X射線波段的激光器也正在研究中。除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，裝置的必不可少的組成部分包括激勵（或抽運）、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質和諧振腔（見光學諧振腔）3部分。激勵是工作介質吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉創(chuàng)造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和

49、核能激勵等。工作介質具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導地位，從而實現(xiàn)光放大。諧振腔可使腔內的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的定向性和相干性。 研究發(fā)展激光器1、氣體激光器在氣體激光器中，最常見的是氦氖激光器。世界上第一臺氦氖激光器是繼第一臺紅寶石激光器之后不久，于1960年在美國貝爾實驗室里由伊朗物理學家賈萬制成的。由于氦氖激光器發(fā)出的光束方向性和單色性好，可以連續(xù)工作，所以這種激光器是當今使用最多的激光器，主要用在全息照相的精密測量、準直定位上。氣體激光器中另一種典型代表是氬離子激光器。它可以發(fā)出鮮艷的藍綠色光，可連續(xù)工作，輸出功率達100多瓦。這種激光器是在可見

50、光區(qū)域內輸出功率最高的一種激光器。由于它發(fā)出的激光是藍綠色的，所以在眼科上用得最多，因為人眼對藍綠色的反應很靈敏，眼底視網(wǎng)膜上的血紅素、葉黃素能吸收綠光。因此，用氬離子激光器進行眼科手術時，能迅速形成局部加熱，將視網(wǎng)膜上蛋白質變成凝膠狀態(tài)，它是焊接視網(wǎng)膜的理想光源。氬離子激光器發(fā)出的藍綠色激光還能深入海水層，而不被海水吸收，因而可廣泛用于水下勘測作業(yè)。2、液體、化學和半導體激光器液體激光器也稱染料激光器，因為這類激光器的激活物質是某些有機染料溶解在乙醇、甲醇或水等液體中形成的溶液。為了激發(fā)它們發(fā)射出激光，一般采用高速閃光燈作激光源，或者由其他激光器發(fā)出很短的光脈沖。液體激光器發(fā)出的激光對于光譜

51、分析、激光化學和其他科學研究，具有重要的意義。化學激光器是用化學反應來產生激光的。如氟原子和氫原子發(fā)生化學反應時，能生成處于激發(fā)狀態(tài)的氟化氫分子。這樣，當兩種氣體迅速混合后，便能產生激光，因此不需要別的能量，就能直接從化學反應中獲得很強大的光能。這類激光器比較適合于野外工作，或用于軍事目的，令人畏懼的死光武器就是應用化學激光器的一項成果。在當今的激光器中，還有一些是用半導體制成的。它們叫砷化鎵半導體激光器，體積只有火柴盒大小，這是一種微型激光器，輸出波長為人眼看不見的紅外線，在0、80、9微米之間。由于這種激光器體積小，結構簡單，只要通以適當強度的電流就有激光射出，再加上輸出波長在紅外線光范圍

52、內，所以保密性特別強，很適合用在飛機、軍艦和坦克上。3、固體激光器前面所提到的紅寶石激光器就是固體激光器的一種。早期的紅寶石激光器是采用普通光源作為激發(fā)源。現(xiàn)在生產的紅寶石激光器已經開發(fā)出許多新產品，種類也增多。此外，激勵的方式也分為好幾種，除了光激勵外，還有放電激勵、熱激勵和化學激勵等。固體激光器中常用的還有釔鋁石榴石激光器，它的工作物質是氧化鋁和氧化釔合成的晶體，并摻有氧化釹。激光是由晶體中的釹離子放出，是人眼看不見的紅外光，可以連續(xù)工作，也可以脈沖方式工作。由于這種激光器輸出功率比較大，不僅在軍事上有用，也可廣泛用于工業(yè)上。此外，釔鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器，對治療白內障和

53、青光眼十分有效。激光器4、“隱身”和“變色”激光器另外還有兩種較為特殊的激光器。一種是二氧化碳激光器，可稱“隱身人”，因為它發(fā)出的激光波長為10、6微米，“身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續(xù)、脈沖兩種。連接方式產生的激光功率可達20千瓦以上。脈沖方式產生的波長10、6微米激光也是最強大的一種激光。人們已用它來“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現(xiàn)是激光發(fā)展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支長1米左右的放電管。它的一端貼上鍍金反射鏡片，另一端貼一塊能讓10、6微米紅外光通過的鍺平面鏡片作為紅外激光輸出鏡。一般的玻璃鏡片不讓這種紅外光通

54、過，所以個能做輸出鏡。放電管放電時發(fā)出粉紅色的自發(fā)輻射光，它產生的激光是看不見的，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出耀眼的白光。做實驗時，一不小心就會把自己的衣服燒壞，裸露的皮膚碰到了也要燒傷，所以這種激光器上都貼著“危險”的標記，操作時要特別留神。二氧化碳激光器形式很多。放電管最長的達200多米，要占據(jù)很大的場地?？茖W家想出辦法，將筆直的放電管彎成來回轉折的形狀，或是把放電管疊起來安裝，將它們的實際長度壓縮到20米左右；為了使激光器的光路不受振動的影響，整個器件安放在地下室粗大的管道內。后來發(fā)明的一種稱為橫向流動的二氧化碳激光器，長度縮到只有一張大辦公桌那樣長短，能射出幾千瓦功率的激光。這樣的激光器已

55、被許多汽車拖拉機廠用來加工大型零件。輸出功率更大的一種二氧化碳激光器結構像大型噴氣發(fā)動機，開動起來聲音響得嚇人，它能產生上百萬瓦的連續(xù)激光，是連續(xù)方式發(fā)射激光中的最強者。最初的激光打坦克靶實驗，用的就是這種激光器。它是科學家把空氣動力學和激光科學相結合而制造出來的。以脈沖方式發(fā)射的二氧化碳激光器也有很多種，在科研和工業(yè)中用途極廣。如果按每一脈沖發(fā)出的能量大小作比較，那么，脈沖二氧化碳激光器又是脈沖激光器中的最強者。回到激光先驅者湯斯曾經研究過的問題上來，談一談毫米波的產生。隨著激光技術的發(fā)展，許多科學家對這一難題又發(fā)起了進攻：采用放電或利用強大的二氧化碳激光作為激勵源去激發(fā)氟甲烷、氨等氣體分子

56、，一步步地把發(fā)射出來的激光波長延長，擴展。開始達幾十微米，后來達幾百微米，也就是亞毫米波了。本世紀60年代中期到70年代中期，隨著微波技術的發(fā)展，科學家根據(jù)激光的原理和方法產生了毫米波。這樣，從光波到微波之間的空白地帶便被不斷發(fā)現(xiàn)的新紅外激光填補了。從研究中，科學家發(fā)現(xiàn)毫米波很有實用價值：大氣對它的吸收率很小、阻礙它傳播的影響也小，可以用它來作為新的大氣通訊工具。另一種比較特殊、新穎的激光器，可以形象地稱它為“變色龍”。它不是龍，但確實能變色；只要轉動一個激光器上的旋鈕，就可以獲得紅、橙、黃、綠、青、藍、紫各種顏色的激光。這種激光器的工作物質確實就是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等等?？茖W家至今還沒有弄清楚這些染料的分子能級和原子結構，只知道它們與氣體工作物質的氣體原子、離子結構不一樣；氣體產生的激光有明確的波長，而染料產生的激光，波長范圍較廣，或者說有多種色彩。染料激光